Cayin RU6 ポータブルUSB DAC/AMPについて

Cayinは新しいフラッグシップ製品の開発に邁進する一方、新しい技術をより手頃な価格のアプリケーションに継承するため、多くのリソースを費やしてきました。N6ii用のR-2RベースのR01オーディオマザーボードは、パーソナルオーディオコミュニティで高い評価を得ました。多くのユーザーから、最新のCPUやソフトウェア技術を搭載したハイエンドのR-2R DAPの開発を望む声がありましたが、私たちはハイエンドのR-2R DAPに移行する前に、N6iiで開発したR-2R技術をより広く普及させることを優先しています。

【開発の背景】
RU6は、Cayinの最初のポータブルUSB DAC/AMPです。私たちは、ドングルDAC市場に大きな需要があることに気づいていましたが、高度に統合された既製のソリューションでは満足できず、時間をかけて適切な技術を探していました。N6ii DAP用のR01オーディオマザーボードの研究開発が完了した時点で、私たちはR-2R抵抗ラダーネットワークが低消費電力で優れたオーディオ性能を持つDAC回路として実装できることに気づきました。大きな困難は、スペースと動作の制限ですが、私たちはR-2RドングルDACが技術的に実現可能であると確信しています。
RU6は、自社開発の24bitディスクリートR-2R抵抗ラダー回路を搭載し、384kHzまでのデコードが可能です。ハードウェアのボリュームコントロールボタンは、洗練された抵抗ラダーボリューム回路に裏打ちされており、ユーザーは簡単なメニュー設定により、ノンオーバーサンプリングモードとオーバーサンプリングモードを選択することができます。また、3.5mmと4.4mmの2つのヘッドホン出力を装備しているので、様々な種類のイヤホンに接続することができます。

【24bitディスクリートR-2R抵抗ラダー回路】
R-2Rラダーの基本的な考え方は、2つの抵抗器のマッチドペアで、1つ目が「R」、もう1つがRの2倍の値を持つ「2R」です。24ビットのデコードを実現するためには、48個の抵抗器（23×Rと25×2R）が必要で、これは1チャンネル分となります。ステレオ24BitのR-2Rデコーダには、ちょうど96個の抵抗器が必要になるわけです。R01オーディオマザーボードのDAC回路のデジタルオーディオ部は、4つのサブシステムに分けられます。

1. USBオーディオブリッジ：USBから異なるオーディオフォーマットを受信し、高精度のシグナルエンハンスメントを経て、後続の処理のためにI2Sビットストリームを出力します。
2. デジタルオーディオブリッジ：DSDをPCMに変換し、すべての音声信号を24Bit/384kHzのシリアルオーディオデータ信号の左右チャンネルに変換します。
3. シリアル・パラレルシフトレジスタ：シリアルデータ信号をパラレルデータ信号に変換し、DAC回路に送る。
4. 24bitディスクリートR-2R DAC：高精度のR-2R Resistive Ladder Networkにより、デジタルオーディオ信号をアナログオーディオ信号に変換します。

基本的に2から4はR01オーディオマザーボードのものを流用していますが、RU6ではスペースと電源の制約からハードウェアの補間フィルターを搭載できないため、オーバーサンプリング機能はオーディオブリッジに吸収させ、ソフトウェアベースのDSPで実現しています。また、RU6の唯一のデジタル入力であるUSBオーディオのために、USBオーディオブリッジを追加しています。R-2Rの詳細設計は、Rと2Rの値（それぞれ5.1kΩと10.2kΩ）を含めて、R01オーディオ・マザーボードから受け継いでいます。残念ながら、同じ高精度の抵抗器を使用する余裕はありません。そこで、1段階下がって、±0.1％（または±0.001または±1/1,000）の高精度低TCR薄膜抵抗器を採用しました。ドングルDACプロジェクトでは実現できる最高水準を達成したと言えます。また、R-2RラダーDAC回路に必要なマッチング精度を確保しています。また、この抵抗器の抵抗温度係数（TCR）も優れています。TCR25(±25ppm/℃)のレートでは、温度が1度変化すると抵抗値は25/1,000,000以内にしか変動しません。

R-2Rについてご興味がある方はR01オーディオマザーボードについてご説明した記事もご参照下さい。


【オーバーサンプリングとノンオーバーサンプリングのDAモード】
CayinはRU6でオーバーサンプリング(OS)とノンオーバーサンプリング(NOS)のDAモードを提供しています。オーバーサンプリングモードでは、デジタルオーディオブリッジがデジタルフィルタを介してデジタルオーディオデータを384kHzにアップサンプリングします。これにより、デジタル信号の解像度の向上、ノイズの低減、アンチエイリアシングの改善が図られます。オーバーサンプリングのDAモードでは、ディテールや周波数の伸びが顕著に改善されます。背景が暗くなってもきれいでシャープな再生が可能です。
一方、NOS DAモードでは、オリジナルのビットストリームのサンプリングレートを維持します。これにより、OSモードでのデジタルフィルターが不要となり、信号は完全な時系列で維持されます。また、位相歪みやジッターは非常に低いレベルに保たれ、リンギングも発生しません。再生時には、自然で有機的なまとまりのある、非常に音楽的な表現が可能になります。

【高精度レジスター・アレイ・ボリューム・コントロール】
ほとんどのUSBドングルDACは、ヘッドフォン出力の音量調整をスマートフォンなどのデバイスのボリュームコントロールに頼っています。残念ながら、これはCayin RU6にとって実行可能なソリューションではありません。R-2R DAC回路は入力データの整合性を非常に重視しており、スマートフォンのデジタルボリュームは音質に大きな影響を与えるため、R-2R設計のより効果的なソリューションは、入力ビットストリームをフルボリュームに保ち、R-2R DAC回路の後に高品質なアナログボリュームコントロールを実装することです。以上の理由から、ビットパーフェクトUSBに対応した音楽プレーヤーアプリを推奨します。HiBy Musicアプリを例にとると、アプリの設定でExclusive HQ USB Audio AccessとUSB Output setting > Lock USB Audio Volをオンにすることで（下図参照）、USBオーディオ出力の品質を守ることができます。同様の機能を備えていないアプリケーションでは、手動でボリュームを100にする必要があります。これは確かに不便ですが、幸いなことに、現在のほとんどのスマートフォンは、異なるプラグイン機器の音量設定を「記憶」しています。そのため、RU6を携帯電話から抜くと、ボリュームはRU6を差し込む前の設定に戻り、RU6を再び差し込むと、スマートフォンは自動的にボリュームを100に上げます。


Cayinは数多くの既製のボリュームオプションをテストしましたが、残念ながらドングルDACアプリケーションにおける高精度、低ノイズ、低消費電力の要件を満たすことができませんでした。例えば、我々はPGA2311AをいくつかのDAPやR01オーディオマザーボードに使用してきました。この方法を再度採用しようとしましたが、RU6では受け入れがたいバックグラウンドノイズが発生してしまいました。市場にはより優れたボリュームのチップセットがありますが、物理的に大きすぎたり、大量の電力を消費したりするため、ドングルDACアプリケーションには適していません。最終的にCayinは、9セグメントの抵抗とスイッチングリレーによって99ステップのボリュームコントロールを実現する、高精度のレジスターアレイボリュームコントロール回路を開発しました。

レジスターアレイによるボリュームコントロールは新しい技術ではなく、非常に長い間存在してきました。これらは非常に高品質なボリュームコントロールデザインで、正しく実装されていれば非常に透明性が高く、多くのハイエンドプリアンプやインテグレーテッドアンプで見かけることができます。抵抗アレイの各セグメントは、約10ステップのボリュームコントロールとなります。

ドングルDACではもちろん、ポータブルDAPでも、レジスターアレイによる音量調整を採用したメーカーはいなかったと思います。RU6プロジェクトを開始した2021年2月初旬（R01 R&D終了時）には、このような結果になるとは思ってもいませんでした。基本的にRU6の回路設計は非常に速いスピードで完成しましたが、ボリュームコントロールの問題は3ヶ月間、様々な解決策を試しても何も解決しませんでした。レジスター・アレイ・ボリューム・コントロールは、私たちの最後の切り札です。これは基本的にドングルDACのためのアウト・オブ・プロポーションの実装であり、現行の9セグメント・レジスターアレイの設計を完成させるのにさらに1ヶ月を要しました。

私たちがレジスター・アレイ型のボリュームコントロールに躊躇していたのは、技術的な難しさや予算の問題ではありません。レジスター・アレイ・ボリューム・コントロールでは、あるセグメントから別のセグメントにホップする際に、リレーを切り替える必要があります。このリレーは、スピーカーでは非常に穏やかなポップ音を発生し、スピーカーから2〜3メートル離れると聞こえなくなります。残念ながら、このポップ音は敏感なIEMユーザーにとっては非常に迷惑なものになってしまいます。このため、リレーが作動したときに一瞬だけ出力をミュートする必要があります。これにより、音量調整に若干の遅れ（約40ms）が生じますが、ユーザーエクスペリエンスの観点からは残念ながら後退となります。オーディオの性能を重視する熱心なオーディオファンにとって、これはドングルDACにR-2Rラダーネットワークを実装するために支払うべき小さな代償と言えるでしょう。


【増幅、ヘッドフォン出力などの問題】
まず最初に、お伝えしなければならないのは、RU6はフルバランス設計のドングルDACではありません。4.4mmフォーン出力はバランス駆動されますが、信号経路は主にシングルエンド設計となっています。私たちは、ユニティーゲインアンプとして最終出力ステージに追加のオペアンプ（主要なヘッドホン増幅用オペアンプと同じ）を追加しましたが、このオペアンプがすることは、元のステレオ信号を負の位相に変換することだけです。これにより、通常の3.5mmフォーンアウトから余分な電力と電流を供給することができますが、チャンネルセパレーションはフルバランス設計ほど良くありません。
R-2Rのフルバランス増幅回路を設計・実装することは、R01で行ったように難しいことではありません。主な制限はスペースで、消費電力も考慮しなければなりません。もし、4.4mmフォンアウトがフルバランス設計ではないためにRU6を躊躇しているのであれば、RU6を実際に試聴する機会があるまで、あるいはRU6についての情報をすべて提供するレビューやユーザーインプレッションがあるまでお待ちください。

正直なところ、RU6の仕様を調べても、特別な印象はないかもしれません。しかし、Cayinではエンジニアリングをきちんと行っているので、確かに悪いものではありません。そもそもR-2Rの技術において、特にNOSの設計において、測定上のスペック数値で秀でるということが難しい点があります。スペックなどの数値を最優先する方には、RU6はベストな選択ではないと前もって忠告するしかありません。

【RU6の特徴のまとめ】
1. 24bitディスクリートR-2R抵抗ラダー回路
・1/1000超高精度TCR25・超薄フィルム抵抗器
・最大でPCM 384kHzとDSD 64/128/256に対応
・低消費電力

2. ユーザーが選択可能なNOS/OS DAモード
・NOSモード：デジタルフィルターレス、低位相歪み、低ジッター、リンギングなし
・OSモード：サンプリングレートの向上、解像度の向上、ノイズの低減、アンチエイリアシングの向上

3．マルチセグメント高精度抵抗アレイボリュームコントロール
4．物理ボリューム+/-ボタン
5．2枚の6層基盤：デジタル回路とアナログ回路を別々の基板に搭載
6．3.5mmシングルエンドフォーン出力：138mW/チャンネル（32Ω負荷時
7．4.4mmバランスフォーン出力は、32Ω負荷時に213mW/チャンネルを実現
8．Android、iOS、iPadOS、macOS、Windows 7/8/8,1/10、USBオーディオ出力搭載のDAPに対応
9．Type-C USBオーディオ、シールドUSB-C to USB-Cケーブル同梱
10．High/Lowゲインコントロール
11．コンパクトでシームレスなCNCアルミニウム製シャーシに1インチOLEDスクリーンを搭載し、28gを実現
12．別売りのレザーケース：オレンジまたはブルー
13．別売りのUSB-C to lightningケーブル